Synchrongenerator als Windkraftgenerator

Wie der DC-Generator im vorherigen Tutorial basiert auch der Betrieb eines Synchrongenerators auf dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion und funktioniert ähnlich wie eine Fahrzeuglichtmaschine.

Der Unterschied besteht diesmal darin, dass der Synchrongenerator aus seinen Statorwicklungen einen dreiphasigen Wechselspannungsausgang erzeugt, im Gegensatz zum Gleichstromgenerator, der einen einzelnen Gleichstrom- oder Gleichstromausgang erzeugt. Einphasen-Synchrongeneratoren sind auch für Synchrongeneratorsysteme für Windkraftanlagen mit geringer Leistung im Haushalt erhältlich.

Grundsätzlich ist der Synchrongenerator eine synchrone elektromechanische Maschine, die als Generator verwendet wird und aus einem Magnetfeld auf dem sich drehenden Rotor und einem stationären Stator mit mehreren Wicklungen besteht, der die erzeugte Energie liefert. Das Magnetfeldsystem des Rotors (Erregung) wird erzeugt, indem entweder Permanentmagnete verwendet werden, die direkt auf dem Rotor montiert sind, oder elektromagnetisch durch einen externen Gleichstrom erregt werden, der in den Rotorfeldwicklungen fließt.

Dieser Feldgleichstrom wird über Schleifringe und Kohle- oder Graphitbürsten auf den Rotor der Synchronmaschine übertragen. Im Gegensatz zu früheren DC-Generatordesigns erfordern Synchrongeneratoren keine komplexe Kommutierung, was eine einfachere Konstruktion ermöglicht. Dann funktioniert der Synchrongenerator ähnlich wie die Lichtmaschine im Auto und besteht aus den beiden folgenden gemeinsamen Teilen:

Hauptkomponenten eines Synchrongenerators

• The Stator: – Der Stator trägt die drei separaten ( 3-Phasen ) Ankerwicklungen, die physikalisch und elektrisch um 120 Grad gegeneinander versetzt sind und eine Wechselspannungsausgabe erzeugen.
• Der Rotor: &#8211 ; Der Rotor trägt das Magnetfeld entweder in Form von Permanentmagneten oder gewickelten Feldspulen, die über Schleifringe und Kohlebürsten mit einer externen Gleichstromquelle verbunden sind.

Wenn man vom „Synchrongenerator“ spricht, ist die Terminologie, die für die Beschreibung der Maschinenteile verwendet wird, umgekehrt zu der für die Beschreibung des Gleichstromgenerators. Die Feldwicklungen sind die Wicklungen, die das Hauptmagnetfeld erzeugen, die die Rotorwicklungen für eine Synchronmaschine sind, und die Ankerwicklungen sind die Wicklungen, in denen die Hauptspannung induziert wird, die normalerweise als Statorwicklungen bezeichnet werden. Mit anderen Worten, bei einer Synchronmaschine sind die Rotorwicklungen die Feldwicklungen und die Statorwicklungen die Ankerwicklungen, wie gezeigt.

Synchrongeneratoraufbau

Das obige Beispiel zeigt den Grundaufbau eines Synchrongenerators mit einem gewickelten, zweipoligen Rotor. Diese Rotorwicklung ist mit einer DC-Versorgungsspannung verbunden, die einen Feldstrom erzeugt, If. Die externe DC-Erregerspannung, die bis zu 250 Volt DC betragen kann, erzeugt ein elektromagnetisches Feld um die Spule mit statischen Nord- und Südpolen.

Wenn die Rotorwelle des Generators durch die Turbinenblätter (die Primzahl) gedreht wird Mover), bewegen sich auch die Rotorpole und erzeugen ein rotierendes Magnetfeld, da sich die Nord- und Südpole mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Turbinenschaufeln drehen (unter der Annahme eines Direktantriebs). Wenn sich der Rotor dreht, unterbricht sein magnetischer Fluss die einzelnen Statorspulen eine nach der anderen, und nach dem Gesetz von Faraday wird in jeder Statorspule eine EMK und damit ein Strom induziert.

Die Größe der in der Statorwicklung induzierten Spannung ist, wie oben gezeigt, eine Funktion der magnetischen Feldstärke, die durch den Feldstrom, die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors und die Anzahl der Windungen in der Statorwicklung bestimmt wird. Da die Synchronmaschine drei Statorspulen hat, ergibt sich eine 3-phasige Spannungsversorgung entsprechend den Wicklungen A, B und Cdie elektrisch 120o voneinander entfernt sind, wird in den Statorwicklungen erzeugt und dies wird oben gezeigt.

Diese 3-Phasen-Statorwicklung ist direkt mit der Last verbunden, und da diese Spulen stationär sind, müssen sie nicht durchlaufen werden große unzuverlässige Schleifringe, Kommutator- oder Kohlebürsten. Da die Hauptstromerzeugungsspulen stationär sind, ist es auch einfacher, die Wicklungen zu wickeln und zu isolieren, da sie keinen Rotations- und Zentrifugalkräften ausgesetzt sind, wodurch höhere Spannungen erzeugt werden können.

Permanentmagnet-Synchrongenerator

Wie wir gesehen haben, benötigen Wickelfeld-Synchronmaschinen eine Gleichstromerregung in der Rotorwicklung. Diese Erregung erfolgt über Bürsten und Schleifringe auf der Generatorwelle. Es gibt jedoch mehrere Nachteile, wie z. B. die Notwendigkeit regelmäßiger Wartung, Reinigung des Kohlenstoffstaubs usw. Ein alternativer Ansatz besteht darin, eine bürstenlose Erregung zu verwenden, die Permanentmagnete anstelle von Elektromagneten verwendet.

Wie der Name schon sagt, in a Permanentmagnet-Synchrongenerator ( PMSG ), das Erregerfeld wird durch Permanentmagnete im Rotor erzeugt. Die Permanentmagnete können auf der Oberfläche des Rotors angebracht, in die Oberfläche eingebettet oder innerhalb des Rotors installiert sein. Der Luftspalt zwischen Stator und Rotor wird für maximale Effizienz und zur Minimierung der Menge an benötigtem Seltenerd-Magnetmaterial reduziert. Permanentmagnete werden typischerweise in kostengünstigen Synchrongeneratoren mit geringer Leistung verwendet.

Für direkt angetriebene Windturbinengeneratoren mit niedriger Drehzahl ist der Permanentmagnetgenerator konkurrenzfähiger, da er im Vergleich zu einem herkömmlichen Synchrongenerator mit gewickeltem Rotor eine höhere Polzahl von 60 oder mehr Polen aufweisen kann. Außerdem ist die Erregungsimplementierung mit Permanentmagneten einfacher, dauerhafter, erlaubt jedoch keine Steuerung der Erregungs- oder Blindleistung. Der einzige große Nachteil von Permanentmagnet-Synchrongeneratoren für Windkraftanlagen besteht darin, dass sie ohne Steuerung des Rotorflusses ihren Spitzenwirkungsgrad nur bei einer vordefinierten Windgeschwindigkeit erreichen.

Die Synchrongeneratoren Geschwindigkeit

Die Frequenz der Ausgangsspannung hängt von der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, also seiner „Winkelgeschwindigkeit“, sowie der Anzahl der einzelnen Magnetpole des Rotors ab. In unserem einfachen Beispiel oben hat die Synchronmaschine zwei Pole, einen Nordpol und einen Südpol. Mit anderen Worten, die Maschine hat zwei einzelne Pole oder ein Polpaar (Nord-Süd), auch bekannt als Polpaare.

Wenn sich der Rotor eine vollständige Umdrehung, 360o, dreht, ist ein Zyklus der induzierten EMK erzeugt, so dass die Frequenz bei jeder vollen Umdrehung oder 360o einen Zyklus beträgt. Wenn wir die Anzahl der Magnetpole auf vier verdoppeln (zwei Polpaare), dann werden für jede Umdrehung des Rotors zwei Zyklen induzierter EMK erzeugt und so weiter.

Da ein Zyklus induzierter EMK mit einem einzelnen Polpaar erzeugt wird, ist die Anzahl der EMK-Zyklen, die bei einer Umdrehung des Rotors erzeugt werden, daher gleich der Anzahl der Polpaare, P. Wenn also die Anzahl der Zyklen pro Umdrehung angegeben wird als: P/2 relativ zur Anzahl der Pole und der Anzahl der Rotorumdrehungen N pro Sekunde wird angegeben als: N/60, dann die Frequenz ( ƒ ) der induzierten EMK wird definiert als:

Bei einem Synchronmotor ist seine Winkelgeschwindigkeit durch die Frequenz der Versorgungsspannung festgelegt, also Nist allgemein als Synchrondrehzahl bekannt. Dann ist für einen “P”-Pol-Synchrongenerator die Drehzahl der Antriebsmaschine (der Turbinenschaufeln), um die erforderliche Frequenzausgabe von entweder 50 Hz oder 60 Hz der induzierten EMK zu erzeugen:

Bei 50 Hz

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Bei 60 Hz

Für einen gegebenen Synchrongenerator, der mit einer festen Anzahl von Polen ausgelegt ist, muss der Generator also mit einer festen Synchrondrehzahl angetrieben werden, um die Frequenz der induzierten EMK konstant auf dem erforderlichen Wert zu halten, entweder 50 Hz oder 60 Hz, um Netzgeräte mit Strom zu versorgen. Mit anderen Worten, die Frequenz der erzeugten EMK ist mit der mechanischen Rotation des Rotors synchronisiert.

Dann können wir von oben sehen, dass sich der Rotor mit 3600 U/min drehen muss, um 60 Hz mit einer 2-poligen Maschine zu erzeugen, oder um 50 Hz mit einer 4-poligen Maschine zu erzeugen, muss sich der Rotor mit 1500 U/min drehen. Für einen Synchrongenerator, der von einem Elektromotor oder Dampfgenerator angetrieben wird, kann diese Synchrondrehzahl leicht zu erreichen sein, aber wenn er als Windturbinen-Synchrongenerator verwendet wird, ist dies möglicherweise nicht möglich, da die Geschwindigkeit und Kraft des Windes konstant sind ändern.

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Wir wissen aus unserem vorherigen Tutorial zum Design von Windkraftanlagen, dass alle Windkraftanlagen davon profitieren, dass der Rotor mit seinem optimalen Spitzengeschwindigkeitsverhältnis arbeitet. Aber um einen TSR zwischen 6 und 8 zu erreichen, ist die Winkelgeschwindigkeit der Schaufeln im Allgemeinen sehr niedrig um 100 bis 500 U/min, so dass wir, wenn wir unsere obigen Tabellen betrachten, einen Synchrongenerator mit einer hohen Anzahl von Magnetpolen benötigen würden, z. 12 oder höher.

Darüber hinaus wäre jedoch eine Art mechanischer Geschwindigkeitsbegrenzer wie ein stufenloses Getriebe oder CVT erforderlich, um die Rotorblätter bei einer konstanten Höchstgeschwindigkeit für ein Windkraftanlagensystem mit Direktantrieb zu drehen. Je mehr Pole jedoch eine Synchronmaschine hat, desto größer, schwerer und teurer wird die Maschine, was akzeptabel sein kann oder nicht.

Eine Lösung besteht darin, eine Synchronmaschine mit niedriger Polzahl zu verwenden, die über ein Getriebe mit einer höheren Drehzahl von 1500 bis 3600 U/min rotieren kann. Die niedrige Rotationsgeschwindigkeit der Rotorblätter der Windkraftanlage wird durch ein Getriebe erhöht, wodurch die Generatordrehzahl konstanter bleibt, wenn sich die Blattgeschwindigkeit der Turbine ändert, da eine 10%ige Änderung bei 1500 U/min weniger problematisch ist als eine 10%ige Änderung bei 100 U/min. Dieses Getriebe kann die Generatordrehzahl an variable Rotationsgeschwindigkeiten der Blätter anpassen, was einen Betrieb mit variabler Drehzahl über einen größeren Bereich ermöglicht.

Die Verwendung eines Getriebes oder Riemenscheibensystems erfordert jedoch eine regelmäßige Wartung und erhöht das Gewicht des Windkraftanlage, erzeugt Geräusche, erhöht Leistungsverluste und verringert die Systemeffizienz, da zusätzliche Energie benötigt wird, um die Zahnräder des Getriebes und interne Komponenten anzutreiben.

Die Verwendung eines Direktantriebssystems ohne mechanisches Getriebe hat viele Vorteile, aber das Weglassen eines Getriebes bedeutet eine größere Synchronmaschine mit einer Erhöhung sowohl der Größe als auch der Kosten des Generators, der dann mit niedrigen Drehzahlen arbeiten muss. Wie können wir also einen Synchrongenerator in einer langsam laufenden Windenergieanlage betreiben, deren Rotorblattgeschwindigkeit nur von der Windleistung bestimmt wird? Durch Gleichrichtung der erzeugten 3-Phasen-Versorgung in eine konstante Gleichstrom- oder Gleichstromversorgung.

Synchrongenerator-Gleichrichter

Diodengleichrichter sind elektronische Geräte zur Umwandlung von AC (Wechselstrom) in DC (Gleichstrom). Durch Gleichrichten der Ausgangsleistung des Synchrongenerators in eine Gleichstromversorgung kann der Windturbinengenerator mit anderen Drehzahlen und Frequenzen als seiner festen Synchrondrehzahl betrieben werden.

Dadurch kann die variable Frequenz und der variable Spannungsausgang des Generators in eine Gleichspannung mit variablem Pegel umgewandelt werden. Durch die Gleichrichtung des Ausgangs von Wechselstrom in Gleichstrom kann der Generator nun als Teil eines Batterielade-Windsystems oder als Teil eines Windkraftsystems mit variabler Drehzahl verwendet werden. Dann wird der Synchrongenerator eines Wechselstroms in einen Generator eines Gleichstroms umgewandelt.

Die einfachste Art der Gleichrichterschaltung verwendet eine Diodenbrückenschaltung, um den vom Generator erzeugten Wechselstrom in eine schwankende Gleichstromversorgung umzuwandeln, deren Die Amplitude wird durch die Rotationsgeschwindigkeit des Generators bestimmt. In dieser unten gezeigten Synchrongenerator-Gleichrichterschaltung wird der 3-Phasen-Ausgang des Generators durch einen 3-Phasen-Gleichrichter in Gleichstrom gleichgerichtet.

Generatorgleichrichterschaltung

Das Schaltbild des dreiphasigen Vollbrücken-Wechselstrom-Gleichstrom-Gleichrichters ist oben dargestellt. In dieser Konfiguration kann die Windkraftanlage den Generator bei einer von der Synchronfrequenz unabhängigen Frequenz betreiben, da eine Änderung der Generatordrehzahl die Generatorfrequenz verändert. Daher ist es möglich, die Geschwindigkeit des Generators über einen größeren Bereich zu variieren und mit der optimalen Geschwindigkeit zu laufen, um die maximale Leistung in Abhängigkeit von der tatsächlichen Windgeschwindigkeit zu erhalten.

Beachten Sie, dass die Ausgangsspannung des 3-Phasen-Brückengleichrichters kein reiner Gleichstrom ist. Die Ausgangsspannung hat einen DC-Pegel zusammen mit einer großen AC-Variation. Diese Wellenform ist allgemein als „pulsierender Gleichstrom“ bekannt. die zum Laden von Batterien verwendet werden kann, aber nicht als zufriedenstellende Gleichstromversorgung verwendet werden kann. Um diesen AC-Welligkeitsgehalt zu entfernen, wird ein Filter oder eine Glättungsschaltung verwendet. Diese Glättungsschaltungen oder Welligkeitsfilterschaltungen verwenden Kombinationen aus Induktivitäten und Kondensatoren, um eine glatte Gleichspannung und einen glatten Gleichstrom zu erzeugen.

Als Teil eines netzgekoppelten Systems können Synchronmaschinen nur dann an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden, wenn ihre Frequenz, Phasenlage und Ausgangsspannung mit den Netzen übereinstimmen, sie also mit ihrer Synchrondrehzahl umlaufen wir haben oben gesehen. Aber indem wir ihre variable Ausgangsspannung und -frequenz in eine konstante DC-Versorgung gleichrichten, können wir diese DC-Spannung jetzt in eine AC-Versorgung mit der richtigen Frequenz und Amplitude umwandeln, die der des Stromnetzes entspricht, indem wir entweder ein einphasiges oder dreiphasiges Phaseninverter.

Ein Wechselrichter ist ein Gerät, das Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt, der direkt in das Stromnetz eingespeist werden kann, da netzgekoppelte Wechselrichter synchron mit dem Versorgungsnetz arbeiten und identischen Strom erzeugen zum Netzstrom. Netzgekoppelte Sinus-Wechselrichter für Windanlagen werden mit einem Eingangsbereich ausgewählt, der der gleichgerichteten Ausgangsspannung der Turbine entspricht.

Dann besteht der Vorteil einer indirekten Netzanbindung darin, dass die Windenergieanlage drehzahlvariabel betrieben werden kann. Ein weiterer Vorteil der Gleichrichtung des Generatorausgangs besteht darin, dass Windkraftanlagen mit Synchrongeneratoren, die Elektromagnete in ihrem Rotordesign verwenden, diesen Gleichstrom verwenden können, um die Spulenwicklungen um die Elektromagnete im Rotor zu versorgen. Der Nachteil des indirekten Netzanschlusses sind jedoch die Kosten, da das System einen Wechselrichter und zwei Gleichrichter benötigt, einen zur Steuerung des Statorstroms und einen zur Erzeugung des Ausgangsstroms, wie unten gezeigt.

Synchrongeneratorschaltung

Synchrongeneratorschaltung

Tutorial-Zusammenfassung

Der gewickelte Rotor-Synchrongeneratorwird bereits als Windkraftturbinengenerator verwendet, aber einer der Hauptnachteile eines Synchrongenerators kann seine Komplexität und Kosten sein. Getriebelose Direktantriebsgeneratoren sind sehr langsam drehende Synchrongeneratoren mit hohen Polzahlen, um ihre Synchrondrehzahl zu erreichen. Generatoren mit weniger Polen haben höhere Drehzahlen und erfordern daher ein Getriebe oder einen Antriebsstrang, was die Kosten erhöht.

Synchrongeneratoren erzeugen Strom, dessen grundlegende Ausgangsfrequenz mit der Drehzahl des Rotors synchronisiert ist. Netzgekoppelte Generatoren benötigen eine konstante feste Drehzahl zur Synchronisierung mit der Versorgungsnetzfrequenz und es ist notwendig, die Rotorwicklung mit einer externen Gleichstromversorgung unter Verwendung von Schleifringen und Bürsten zu erregen.

Der Hauptnachteil eines Betriebs mit fester Drehzahl besteht darin, dass er die Windenergie fast nie mit der höchsten Effizienz einfängt. Die Windenergie wird verschwendet, wenn die Windgeschwindigkeit höher oder niedriger als der bestimmte Wert ist, der als Synchrongeschwindigkeit ausgewählt wurde.

Windturbinen mit variabler Drehzahl verwenden Gleichrichter und Wechselrichter, um den Ausgang des Synchrongenerators mit variabler Spannung und variabler Frequenz in den vom Versorgungsnetz geforderten Ausgang mit fester Spannung und fester Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz umzuwandeln. Dies ermöglicht die Verwendung von Permanentmagnet-Synchrongeneratoren, wodurch die Kosten reduziert werden. Für direkt angetriebene Windturbinengeneratoren mit niedriger Drehzahl ist der Permanentmagnetgenerator konkurrenzfähiger, da er im Vergleich zu einem herkömmlichen Synchrongenerator mit gewickeltem Rotor eine höhere Polzahl von 60 oder mehr Polen haben kann.

Im nächsten Tutorial über Windenergie und Windturbinengeneratoren betrachten wir den Betrieb und das Design einer anderen Art von elektrischer Maschine namens Induktionsgenerator, auch bekannt als &# 8220;Asynchrongenerator”. Asynchrongeneratoren können auch zur Erzeugung von dreiphasigem, netzgekoppeltem Wechselstrom verwendet werden.

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